静态柔性软管弯曲加强器的设计

李 兰，张荫纳

(天津海王星海上工程技术股份有限公司，天津 300384)

静态柔性软管弯曲加强器的设计

李 兰，张荫纳

(天津海王星海上工程技术股份有限公司，天津 300384)

随着柔性软管的国产化，国内越来越多的油田采用柔性软管输送油品介质。在软管管段之间的连接接头属于刚性结构，而管体属于柔性结构，在接头与管体之间存在刚度的突变，在受到较大弯矩作用时，柔性管体将被破坏，因此需要在管体和接头之间设置弯曲加强器，起到刚度过渡的作用，保护管体。在进行弯曲加强器的设计时，参考国外实例，选用聚氨酯弹性体作为结构主材，并配有连接钢件。结合项目实例，重点介绍了静态柔性软管弯曲加强器的结构形式。该结构可在软管过驳和安装时保护管体。

海底管道；柔性软管；接头；弯曲加强器；聚氨酯弹性体

0 引 言

21世纪是开发利用海洋的新时代。我国的海洋石油开发技术正在飞速发展，对海洋石油管道的需求大大增加。目前海底管道分为2类，即钢质管道和柔性软管。相对于钢管，柔性软管具有可设计、耐腐蚀、易弯曲、易铺设、可回收、开发更经济、更适应海洋环境等特点。柔性软管最突出的特点是弯曲柔性好，可以承受较大的弯曲变形。在边际油田开发中采用柔性管道，由于易铺设、可回收、工期短，可以显著降低工程建设及运营成本。柔性软管在我国的边际油田已逐步应用。

柔性软管的设计、生产和安装早期基本由国外三大软管公司垄断：法国Technip，英国Wellstream，丹麦NKT。但从2003年开始，国内企业也纷纷开始研制国产软管。目前已有应用案例的如天津海王星海上工程技术股份有限公司，其业务包含设计、生产、安装及后期的维护，到目前为止已铺设并投入使用的静态软管共8条，含注水管2条、输气管2条及三相混输管4条，共约48.65 km。以上软管目前都运行正常，表明海洋柔性软管已实现国产化。

在软管的生产过程中，受设备承重能力和空间大小的限制，一根软管不可能是完全连续的，每1～2 km就会存在一个连接件，即接头。接头是钢质构件浇筑环氧树脂，接头的刚度基本等同于金属钢件；而柔性软管是由非金属挤塑和金属钢丝缠绕而成，其柔性好，刚度低。这样在接头与软管对接处，就出现一个刚度突变区，如果受到过大载荷或者反复的弯曲，在这个突变区就会损坏刚度小的软管，造成软管的失效。为了避免这种情况，可以在接头与软管的连接处设置弯曲加强器(BS)，在接头与柔性软管间起到刚度过渡的作用，从而保护软管结构。本文结合项目实例，重点介绍了静态柔性软管BS的结构形式。该结构可在软管过驳和安装时保护管体。

1 弯曲加强器简介

在软管的生产过程中，由于设备和空间的限制，所以每1～2 km就需要用接头连接[1-2]。接头连接柔性软管的示意图如图1所示。

图1 接头与管体连接示意图Fig.1 Schematic diagram of end fitting connecting flexible pipes

在接头与软管对接处有刚度突变区，如果受到过大载荷或者反复的弯曲，在这个突变区就会损坏刚度小的软管，从而破坏软管结构完整，造成软管的失效。设置BS就是为了避免这种情况的出现。BS一般为锥子状，在接头与柔性软管间起到刚度过渡的作用，保护软管结构[2]。图2 为相关规范[3-4]中典型的动态BS示意图。

目前BS分为两类：静态BS和动态BS[3]。美国特瑞堡公司是国际上有实力的BS设计生产厂家，其产品最长已应用15年。图3为特瑞堡公司生产的BS照片。

图2 典型的动态BS示意图Fig.2 Typical dynamic BS

图3 特瑞堡公司生产的BS Fig.3 Trelleborg’s BS product

静态BS主要配合输油管线使用，用于在软管岸边过驳和铺设中的软管保护，防止软管端部过度弯曲。

静态BS由聚氨酯浇筑而成，见图4。一般静态BS长度为1～2 m，其结构形式多样化，主要根据设计和安装需要而定，其作用是增加软管局部刚度。

图4 BS浇铸成型照片Fig.4 BS casting and molding

动态BS主要用于柔性立管和脐带缆，例如立管出浮式生产储油船(FPSO)套筒局部，见图5。

图5 动态BS用于FPSO的示意图Fig.5 Application of dynamic BS to FPSO

一般动态应用其要求的寿命都比较长，在15～25年之间。动态BS与静态BS都由聚氨酯浇铸而成。

动态BS主要是保护立管或者脐带缆，增加其局部刚度，在环境力和船舶运动下，软管所受拉力和曲率下的弯曲半径不超过软管的最小弯曲半径。动态BS都是依据项目需求，经过专业分析软件分析后确定的，都是特制品。

静态BS的作用是过驳和安装时的保护，所以其设计服务寿命一般是半年到一年，一般的聚氨酯弹性体都可达到。下面主要介绍静态柔性软管BS的设计。

2 静态弯曲加强器的设计

BS的设计分为材料选择和结构设计两部分。

2.1 材料选择

BS主要包含非金属聚氨酯主体和钢质连接件。

聚氨酯主体一般是聚氨酯弹性体材料，韧性好，耐用，并且能够很好地适应海底工况。聚氨酯的两大特点是弹性模量低和断裂伸长率高，这样就带来很好的柔性和韧性。

由于钢质连接件需要长期与海水直接接触，所以对钢构件需要进行防腐考虑。钢质连接件分为两种：一种是采用耐海水腐蚀的超级双相不锈钢或者同等材料；另一种采用碳钢材料，但是由于其不耐海水，就需要借助与BS对接的接头防腐阳极保护系统，通过导线连接，进而保护BS的碳钢连接件。

2.2 结构设计

对于静态BS，其作用是过驳和安装时的保护，所以其设计服务寿命一般是半年到一年，一般的聚氨酯弹性体都可达到。

BS的结构设计主要是依据软管和接头的尺寸以及安装的需要进行设计。基本遵守如下原则：

(1) 考虑经济性，长度在1～2 m；

(2) 最大外径尽量不超过接头外径和连接构件的外径，也就是BS、接头和软管不要有凸起的部分，尽量是平滑的过渡，安装方便快捷；

(3) BS需要与接头进行固定，保证BS在特定载荷(经过多种载荷筛选)下的连接强度；

(4) 如果采用碳钢的连接构件，那么就需要考虑将其与接头阳极通过导线连接进行保护。

2.3 静态BS设计实例

以某项目8英寸(1英寸=2.54 cm)保温软管为例，简述静态BS的设计成果。

项目软管为8英寸保温软管。为了避免在过驳和安装中损坏软管导致泄漏，可以在接头与软管连接处设计静态BS。图6为8英寸软管接头与管体连接示意图。

图6 8英寸软管接头与管体连接示意图Fig.6 Schematic diagram of the connection between end fitting and 8-inch pipe body

图7 本项目静态BS主尺度示意图Fig.7 Principal dimensions of the designed static BS

本次设计静态BS结构形式如图7所示。其总长1 000 mm，最大外径600 mm，左端短锥段100 mm，右端长锥段280 mm，平直段620 mm。其非金属主材为聚氨酯弹性体，采用东大一诺威的D2186；钢质连接件采用Q345A，安装完成后采用铜导线与接头阳极连接，进行防海水保护。连接螺栓采用M12，12.9级。 BS各材料如图8所示。聚氨酯D2186和钢件Q345A的性能见表1、表2。

图8 静态BS所用材料Fig.8 Materials used in the static BS

表1 聚氨酯D2186性能Table 1 Properties of polyurethane D2186

表2 Q345A性能Table 2 Properties of Q345A

BS与接头和软管的最终组装连接结果如图9所示。

图9 BS与接头和软管组装连接示意图Fig.9 Assembly schematic diagram of BS with end fitting and pipe body

3 结 语

综上所述，为了更好地保护接头和软管的连接处，避免损坏软管，可以增设静态BS。静态BS在设计时，更多的是考虑安装中保护软管；其形式则是从经济性和结构施工的便利性上择优确定。同时，BS的主材采用聚氨酯；钢质连接件采用双相不锈钢，也可采用碳钢，但需要考虑其海水保护。

[1] American Petroleum Institute.API SPEC 17J.Specification for unbonded flexible pipe[S].2008.

[2] American Petroleum Institute.API RP 17B.Recommended practice for flexible pipe[S].2008.

[3] American Petroleum Institute.API SPEC 17L1.Specification for flexible pipe ancillary equipment[S].2012.

[4] American Petroleum Institute.API RP 17L2.Recommended practice for flexible pipe ancillary equipment[S].2012.

DesignofStaticBendStiffenerforFlexiblePipes

LI Lan,ZHANG Yin-na

(NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)

With the localization of flexible pipes,more and more oil fields use the flexible pipe as conveying flowline.End fitting whose function is to connect the pipe sections is a rigid structure,while the pipe body is flexible,there is a stiffness mutation between them.When subjected to a large bending moment,the pipe body will be damaged,so it is necessary to set a bend stiffener between the pipe and the end fitting.To design a bend stiffener,an applicable material should be selected.We use polyurethane elastomer as the principal material for the bend stiffener.Besides,some steel interface structures are requisite.We mainly introduce a static bend stiffener design.It can protect the pipe during installation and overboarding.

subsea pipeline; flexible pipe; end fitting; bend stiffener; polyurethane elastomer

TE973；TE42

A

2095-7297(2014)03-0223-04

2014-08-07

国家科技重大专项 (2011ZX05026-005)

李兰(1984—)，女，助理工程师，主要从事海洋工程和软管方面的研究。